耐高溫高鹽鉆井液潤滑劑的研制與性能評價

王宗輪，孫金聲，2，劉敬平，呂開河，邵子樺，張憲法

（1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206）

隨著深層超深層油氣的勘探開發，深井及超深井鉆井過程中的高扭矩和高摩阻成為影響鉆井安全和鉆速的關鍵問題之一[1–4]，這對鉆井液的高溫高鹽下的潤滑性提出了重大的挑戰[5–7]。提高鉆井液的潤滑性方式主要是通過向鉆井液中加入潤滑劑[8]。鉆井液潤滑劑可分為2類：固體潤滑劑和液體潤滑劑[9–10]。固體潤滑劑容易影響固相控制，且易傷害儲層，因此使用受到一定的限制。相比固體潤滑劑，液體潤滑劑在油田中應用更為廣泛。液體潤滑劑按照其主要成分可分為礦物油[11–12]、聚α烯烴[13–14]、脂肪酸酯[15–16]、磷酸酯[17–18]和烷基糖苷[19]等類別[20–21]。其中，礦物油類潤滑劑耐溫、耐鹽性能較好，但其毒性較大，生物降解性差，熒光級別高；而聚α烯烴、磷酸酯等液體潤滑劑則存在潤滑持效性差、極壓膜強度低、抗溫抗鹽性能差和對環境影響較大等問題，難以滿足深層油氣的高效開發需求。因此迫切需要研制一種適用于高磨阻扭矩、高溫高鹽地層的環保型鉆井液潤滑劑。有機硼酸酯具有無毒、潤滑性好、減摩抗磨性優良的特點[22–25]，成為近年來綠色潤滑油添加劑的研究熱點之一，在鉆井液中也顯示出了優異的潤滑性能[26–29]。將以硼酸為原料，與長鏈脂肪酸、多元醇等反應，研制出耐溫耐鹽且環保的有機硼酸酯類鉆井液潤滑劑SOB。

1 潤滑劑SOB的制備

在裝有回流冷凝器、攪拌器的四頸燒瓶中加入山梨糖醇，升溫至160 ℃，加入適量的硼酸，通入氮氣后反應3 h；待反應結束后，加入油酸與氫氧化鈉，升溫至200 ℃，反應至2.5 h，冷卻得琥珀色黏稠油狀液體即為環保型抗高溫高鹽潤滑劑SOB。

2 潤滑劑綜合性能評價

2.1 潤滑性能

采用EP-B型極限壓力潤滑儀和NF-A 泥餅黏附系數測定儀參照中國石油企業標準Q/SY 17088—2016《鉆井液用液體潤滑劑技術規范》評價了潤滑劑SOB在基漿中的潤滑系數和泥餅黏附系數。

圖1為5.0%基漿中加入不同潤滑劑的潤滑系數，5.0%基漿的潤滑系數高達0.631，加入潤滑劑1%RH-3、油酸甲酯和HEP-1后，基漿的潤滑系數分別降至0.078、0.110和0.128；而加入1%SOB后，基漿的潤滑系數降至0.046，所以SOB表現出了更優異的潤滑性能。潤滑劑SOB濃度對基漿潤滑系數的影響如圖2所示。可以看出，隨著潤滑劑SOB濃度的增大，基漿潤滑系數逐漸降低。泥餅黏附系數也表現了同樣的規律見圖3。

圖1 不同潤滑劑對基漿潤滑系數的影響

圖2 SOB濃度對基漿潤滑系數的影響

圖3 不同潤滑劑對5%基漿泥餅黏附系數的影響

如圖3所示，5%基漿的泥餅黏附系數為0.145，加入潤滑劑后，泥餅的黏附系數顯著降低；加入1%RH-3、油酸甲酯和HEP-1的泥餅黏附系數分別降至0.0526、0.0582、0.0635；而加入1%SOB后，泥餅的黏附系數降至0.0405，SOB表現出了更好的潤滑性。綜上所述，SOB的潤滑效果要優于目前常用的潤滑劑，這可能是因為潤滑劑能夠吸附在金屬表面形成吸附膜，從而降低了摩阻。

2.2 潤滑持效性

用EP-B極壓潤滑儀測定了基漿中加入1%SOB前后不同極壓摩擦時間的潤滑系數，來評價其潤滑的持效性，結果見表1。

表1 SOB對基漿極壓摩擦不同時間的潤滑系數的影響

從表1可以看出，不加SOB時，隨著極壓摩擦時間的增加，基漿的潤滑系數不斷上升，滑塊發熱，當加入1%SOB后，基漿的潤滑系數大幅下降，且隨著極壓時間的增長而略有下降，滑塊不發熱，表明SOB在金屬表面所形成的極壓潤滑膜強度高，潤滑持效性好。

2.3 抗溫性能

使用EP-B型極限壓力潤滑儀測試了不同溫度下老化16 h后加入SOB的基漿潤滑性來評價其抗溫性能，并將其與RH-3、油酸甲酯和HEP-1進行對比，如圖4所示。

圖4 溫度對潤滑劑SOB潤滑性能的影響

由圖4可用看出，當老化溫度小于120 ℃時，隨溫度的升高，加入1%SOB的基漿潤滑系數降低率從92.7%升高至93.6%；老化溫度超過120 ℃之后，隨著老化溫度的升高，潤滑系數降低率開始下降，老化溫度升高至210 ℃時，潤滑系數降低率仍保持在90.2%；而在210 ℃老化后加入潤滑劑RH-3、油酸甲酯和HEP-1的基漿潤滑系數降低率分別為79.5%，78.3%和77.7%（見圖5），這表明潤滑劑SOB的抗溫性能要優于RH-3、油酸甲酯和HEP-1，而且當老化溫度繼續增加到240 ℃時，加入SOB的基漿潤滑系數降低率仍保持在88.9%，表現出了出色的抗溫性能。

圖5 210 ℃老化后不同潤滑劑的潤滑性能

2.4 抗鹽性能

為了評價SOB的抗鹽性能，測試了210 ℃老化后不同NaCl濃度下加入1%SOB的基漿潤滑系數，并與RH-3、油酸甲酯和HEP-1進行對比，見圖6、圖7。可以看出，隨著NaCl濃度的升高，老化前后加入1%SOB的基漿潤滑系數有所升高，但整體仍保持在較低水平，當NaCl濃度增加到35%時，老化后潤滑系數降低率仍保持在81.3%，表現出了出色的抗鹽性能。

圖6 不同NaCl濃度下潤滑劑SOB的潤滑系數

圖7 不同NaCl濃度下潤滑劑SOB的潤滑系數降低率

圖8為不同潤滑劑在30%NaCl下210 ℃老化前后的潤滑系數降低率。從圖8可以看出，加入RH-3、油酸甲酯和HEP-1的基漿老化后潤滑系數降低率分別為74.6%、71.4%、68.9%，而加入SOB的基漿的潤滑系數降低率為83.2%，表明SOB相比RH-3、油酸甲酯和HEP-1具有更好的抗鹽性能。綜上，SOB在高溫高鹽情況下仍能保持良好的潤滑性能，抗溫抗鹽性能良好。

圖8 30%NaCl下不同潤滑劑的潤滑系數降低率

2.5 SOB對鉆井液性能的影響

在基漿中加入1%SOB，研究其在150、180和210 ℃老化前后對基漿性能的影響。由表2可見，加入SOB前后基漿的黏度均略有增大，但增幅較小，所以SOB對基漿的流變性能影響較小；而且加入SOB后，基漿濾失量減小，所以SOB還能夠改善基漿的濾失造壁性。

表2 潤滑劑SOB對基漿性能的影響

分別測試1%SOB、1%RH-3、1%油酸甲酯和1%HEP-1在200 ℃老化前后對高密度鉆井液性能的影響，結果見表3。鉆井液配方為：400 mL清水+4%膨潤土+0.35%碳酸鈉+0.1%FA-367+2%DSP-1+2%SPNH+1%FT+2%NP-1+30%NaCl+重晶石，密度為2.05 g/cm3。

表3 高溫高鹽條件下潤滑劑對高密度鉆井液性能的影響

由表3可知，200 ℃老化后，加入1%SOB前后鉆井液的性能變化不大，濾失量降低，說明SOB不影響鉆井液的流變性、能夠降低鉆井液的濾失量。由潤滑系數降低率數據可以看出，SOB具有最優的潤滑性。實驗結果表明，潤滑劑SOB在高密度鉆井液體系中配伍性良好，能夠提高鉆井液的潤滑性能。

3 SOB潤滑機理分析

3.1 吸附實驗

吸附量能反映潤滑劑與鉆具之間的相互作用。潤滑劑在鉆具上的吸附量越大，潤滑劑的潤滑效果越好。因此，實驗將鋼片置于潤滑劑溶液中模擬潤滑劑在鉆具上的吸附，用可見分光光度計測定潤滑劑在鋼片上的吸附量，吸附時間為24 h，測試結果見圖9和圖10。

圖9 潤滑劑吸附量隨吸附時間的變化曲線

圖10 吸附量隨潤滑劑濃度的變化

如圖9所示，在0.3%SOB溶液中，潤滑劑在鋼片上的吸附量在0～6 h內迅速增加，24 h后達到0.338 g/g。圖10表明了吸附量隨潤滑劑濃度的變化規律，當潤滑劑濃度從0.1%增加至0.5%時，潤滑劑在鋼片上的吸附量從0.27 g/g增加至0.425 g/g，因此，濃度的增加將增強潤滑劑對鋼片的潤滑作用，這與潤滑系數實驗中的結果一致。吸附實驗表明，潤滑劑能夠在鋼片表面有效吸附，形成吸附膜，從而防止鉆具與井壁兩摩擦面的直接接觸，大幅降低其潤滑系數，達到減少磨損、降低摩阻的目的。

3.2 接觸角分析

潤滑劑能夠在鋼片表面吸附，形成吸附膜，從而防止鉆具與井壁兩摩擦面的直接接觸，大幅降低其潤滑系數，達到減少磨損、降低摩阻的目的。潤滑劑SOB的分子結構一端為極性基團能夠吸附在鉆具表面，而另一端為非極性疏水基團，游離于鉆井液中，所以SOB會對鉆具的疏水產生影響。因此通過測試鋼片在潤滑劑溶液浸泡前后的接觸角變化可以分析潤滑劑在金屬表面的吸附性能。圖11為鋼片浸泡潤滑劑溶液前后的接觸角。

圖11 鋼片在潤滑劑溶液中浸泡前后的接觸角

由圖11可知，經潤滑劑SOB浸泡后，鋼片的接觸角由38.2°增大至78.3°，疏水性顯著增強，說明SOB在鋼片表面形成了疏水性吸附膜。這主要是因為其分子結構上富含的羥基和酯基等基團，吸附能力強，能夠在金屬等表面形成吸附膜，其較長的疏水烷烴鏈向外排列形成較厚的潤滑層，使金屬與金屬、金屬與巖石的直接接觸變成了潤滑膜之間的接觸，從而降低了潤滑系數，達到潤滑的作用。

3.3 潤滑機理分析

潤滑劑SOB分子中酯基、羥基等極性基團能夠在硅酸鹽礦物或金屬表面吸附，其較長的疏水烷烴鏈向外排列形成較厚的物理吸附膜，使金屬與金屬、金屬與巖石的直接接觸變成了潤滑膜之間的接觸，大幅降低了潤滑系數，達到減少磨損、降低摩阻的目的。當溫度升高時，SOB潤滑劑中的硼酸基團在一定壓力下與鉆具表面的金屬原子發生化學反應，形成牢固的無機物膜。而這種無機物膜熔點高、對鹽不敏感，剪切強度低，能夠牢固連結在金屬表面，在高溫高鹽下能夠有效保護金屬表面不致發生黏著磨損，而且在摩擦過程中，化學反應膜被磨去后能夠迅速生成新的無機物膜，從而能夠達到長效潤滑的目的。

4 結論

1.以硼酸為原料，與長鏈脂肪酸、多元醇等反應，研制出抗高溫抗鹽的有機硼酸酯類鉆井液潤滑劑SOB，該潤滑劑在高溫高鹽下具有良好的潤滑性能。在5%基漿中加入1%潤滑劑SOB后，潤滑系數降低率為92.7%，泥餅的黏附系數降低至0.0405，極壓潤滑持效性強；210 ℃下潤滑系數降低率保持在90.2%；210 ℃、35%NaCl下，5%基漿潤滑系數降低率保持在81.3%。

2.高溫高鹽下潤滑劑SOB可以改善高密度鉆井液體系的潤滑性能。高溫高鹽條件下，加入

SOB的高密度鉆井液的潤滑系數降低率為45.09%，相比潤滑劑RH-3、油酸甲酯和HEP-1分別提高19.26%、26.55%和29.86%。且SOB對不影響鉆井液的流變性，降低鉆井液的濾失性，是一種優良的水基鉆井液潤滑劑。

3.潤滑劑SOB能夠快速吸附在鉆具表面，形成一層疏水性好、強度高的物理吸附膜，同時在高溫極壓環境下，SOB分子中的硼酸基團能夠與鉆具表面的金屬發生化學反應，形成對鹽不敏感的無機物膜，從而在高溫高鹽條件下仍能夠使鉆具與鉆具、鉆具與井壁之間的直接摩擦變成與潤滑膜的摩擦，顯著降低潤滑系數，起到良好的潤滑作用。